Επιστημονικά Βιβλία Εκδόσεις Κάτοπτρο

Το θερμό νερό παγώνει πιό γρήγορα από το κρύο;

Το θερμό νερό μπορεί στην πραγματικότητα να παγώσει γρηγορότερα από το κρύο νερό για ένα ευρύ φάσμα πειραματικών συνθηκών. Αυτό το φαινόμενο είναι εξαιρετικά αντίθετο με την διαίσθηση, και προκαλεί έκπληξη ακόμη και στους περισσότερους επιστήμονες, αλλά είναι στην πραγματικότητα αληθινό.

Έχει παρουσιαστεί και έχει μελετηθεί σε πολυάριθμα πειράματα. Ενώ αυτό το φαινόμενο ήταν γνωστό για αιώνες και περιγράφηκε από τον Αριστοτέλη, τον Bacon, και Descartes (Καρτέσιο), αυτό δεν εισήχθη στην σύγχρονη επιστημονική κοινότητα έως το 1969, παρά από ένα μαθητή του Λυκείου, τον Mpemba από την Τανζανία.

Και η πρόωρη επιστημονική ιστορία αυτού του φαινομένου αλλά και η ιστορία που ξανα-ανακαλύφθηκε από τον Mpemba, είναι ενδιαφέρουσες από την δικιά τους σκοπιά -- η ιστορία του Mpemba μερικώς μας παρέχει μια δραματική παραβολή εναντίον της παραγωγής βιαστικών κρίσεων για κάτι που μας φαίνεται αδύνατο. Αυτή η ιστορία περιγράφεται ξεχωριστά κατωτέρω.

Το φαινόμενο ότι το θερμό νερό μπορεί να παγώσει γρηγορότερα από κρύο καλείται συχνά φαινόμενο Mpemba. Επειδή, χωρίς αμφιβολία, οι περισσότεροι από μας είναι εξαιρετικά δύσπιστοι σε αυτό το σημείο, πρέπει να αρχίσουμε δηλώνοντας ακριβώς τι εννούμε με το φαινόμενο Mpemba.

Αρχίζουμε με δύο δοχεία νερό, τα οποία είναι ίδια της ίδιας μορφής, και που συγκρατούν τα ίδια ποσά νερού. Η μόνη διαφορά μεταξύ των δύο είναι ότι το νερό στο ένα είναι σε μια υψηλότερη (ομοιόμορφη) θερμοκρασία από το νερό στο άλλο δοχείο. Εν συνεχεία ψύχουμε και τα δύο δοχεία, χρησιμοποιώντας την ίδια ακριβή διαδικασία ψύξης για κάθε δοχείο. Κάτω από ορισμένες συνθήκες το αρχικά θερμότερο νερό θα παγώσει πρώτα. Εάν αυτό το φαινόμενο εμφανιστεί, έχουμε δει το φαινόμενο Mpemba. Φυσικά, το αρχικά θερμότερο νερό δεν θα παγώσει  για όλες τις αρχικές συνθήκες πριν από το αρχικά πιό ψυχρό νερό.

Εάν το θερμό νερό αρχίσει στους 99,9 βαθμούς Κελσίου, και το ψυχρό νερό στους 0,01 βαθμούς Κελσίου, τότε σαφώς κάτω από αυτές τις συνθήκες, το αρχικά ψυχρώτερο νερό θα παγώσει πρώτα. Αλλά δεν θα δείτε το φαινόμενο Mpemba για οποιεσδήποτε αρχικές θερμοκρασίες, μορφές δοχείων, και συνθήκες ψύξης. Αυτό φαίνεται αδύνατο, έτσι δεν είναι; Πολλοί σκεπτικοί αναγνώστες μπορεί να έχουν βρεί ήδη μια κοινή απόδειξη ότι το φαινόμενο Mpemba είναι αδύνατο.

Η απόδειξη συνήθως ταιριάζει με το παρακάτω σκεπτικό. Πείτε ότι το αρχικά πιό δροσερό νερό αρχίζει στους 30 βαθμούς Κελσίου και παγώνει μέσα σε 10 λεπτά, ενώ το αρχικά θερμότερο νερό αρχίζει στους 70 βαθμούς Κελσίου. Τώρα το αρχικά θερμότερο νερό πρέπει να δαπανήσει κάποιο χρονικό διάστημα για να φτάσει έως τους 30 βαθμούς Κελσίου, και μετά από αυτόν τον χρόνο, θα του πάρει άλλα 10 λεπτά για να παγώσει έως τους 0 βαθμούς. Έτσι φαίνεται ότι το αρχικά θερμότερο νερό πρέπει να ξοδέψει περισσότερο χρόνο για να φτάσει στην ίδια κατάσταση με το ψυχρότερο, σωστά; Τι μπορεί όμως να είναι λάθος με αυτήν την απόδειξη;

Αυτό που πάει λάθος σε αυτήν την απόδειξη είναι ότι σιωπηρά υποθέτουμε ότι το νερό χαρακτηρίζεται απλά από έναν μοναδικό αριθμό -- τη μέση θερμοκρασία του. Αλλά εάν άλλοι παράγοντες εκτός από τη μέση θερμοκρασία του είναι σημαντικοί, κατόπιν όταν ψυχθεί το αρχικά θερμότερο νερό σε μια μέση θερμοκρασία 30 βαθμούς Κελσίου ομοιόμορφα, μπορεί αυτό να εμφανίζεται πολύ διαφορετικό από το αρχικά πιό δροσερό νερό (σε 30 βαθμούς Κελσίου). Γιατί όμως; Επειδή το νερό μπορεί να είχε αλλάξει όταν ψύχθηκε από τους 70 βαθμούς Κελσίου σε μέση θερμοκρασία 30 βαθμών Κελσίου.

Θα μπορούσε ίσως να έχει λιγότερη μάζα, λιγότερο διαλυμένο αέριο, ή ρεύματα μεταφοράς που παράγουν μια ανομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας. Ή θα μπορούσε να έχει αλλάξει το περιβάλλον γύρω από το δοχείο στο ψυγείο. Και οι τέσσερις αυτές αλλαγές είναι πιθανά σημαντικές, και κάθε μια αλλαγή θα εξεταστεί χωριστά παρακάτω. Έτσι η αδύνατη απόδειξη που φαινόταν πιό πάνω δεν υπάρχει. Και στην πραγματικότητα το φαινόμενο Mpemba έχει παρατηρηθεί σε διάφορα ελεγχόμενα πειράματα.

Δεν είναι ακόμα γνωστό ακριβώς γιατί συμβαίνει αυτό το φαινόμενο. Έχουν προταθεί διάφορες πιθανές εξηγήσεις για αυτό, αλλά μέχρι τώρα τα πειράματα δεν παρουσιάζουν καθαρά ποιό, ενδεχομένως, από τους προτεινόμενους μηχανισμούς είναι το σημαντικότερο. Ενώ θα ακούσετε συχνά τους βέβαιους ισχυρισμούς ότι το Χ είναι η αιτία του φαινομένου Mpemba, τέτοιες εξηγήσεις είναι συνήθως βασισμένες στην εικασία, ή στην εξέταση ορισμένων στοιχείων σε μερικές μελέτες μόνο και την αγνόηση των υπολοίπων. Φυσικά δεν υπάρχει τίποτα λανθασμένο με την ενημερωμένη θεωρητική εικασία ή την ύπαρξη επιλογής σε ποια πειραματικά αποτελέσματα εμπιστεύεστε -- το πρόβλημα είναι ότι διαφορετικοί άνθρωποι κάνουν διαφορετικές αξιώσεις ως προς ποιο Χ είναι η αιτία του φαινομένου.

Γιατί όμως η σύγχρονη επιστήμη δεν έχει απαντήσει σε αυτήν την φαινομενικά απλή ερώτηση για το νερό που ψύχεται; Το κύριο πρόβλημα για αυτό είναι ότι ο χρόνος που χρειάζεται το νερό για να παγώσει είναι ιδιαίτερα ευαίσθητος σε διάφορες λεπτομέρειες πάνω στο πειραματικό σύνολο, όπως είναι η μορφή και το μέγεθος του δοχείου, η μορφή και το μέγεθος της μονάδας ψύξης, τα αέρια που είναι διαλυμένα σε αυτό και η περιεκτικότητα του νερού σε ακαθαρσίες, πώς καθορίζεται ο χρόνος της ψύξης, και άλλα πολλά. Λόγω λοιπόν αυτής της ευαισθησίας, ενώ τα πειράματα γενικά έχουν συμφωνήσει ότι πράγματι υπάρχει το φαινόμενο Mpemba, οι φυσικοί διαφωνούν πάνω στους όρους κάτω από τους οποίους εμφανίζεται, και γιατί εμφανίζεται έτσι. Όπως έγραψε ένας Φυσικός"Υπάρχει τέτοιος πλούτος πειραματικής παραλλαγής στο πρόβλημα έτσι ώστε οποιοδήποτε εργαστήριο που αναλαμβάνει τέτοιες έρευνες, είναι εγγυημένο πως θα παρουσιάζει διαφορετικά αποτελέσματα από όλους τους άλλους.

Έτσι με τον περιορισμένο αριθμό πειραμάτων που γίνονται, συχνά κάτω από πολύ διαφορετικούς όρους, κανένας από τους προτεινόμενους μηχανισμούς δεν μπορεί να πιστοποιηθεί με βεβαιότητα ως "ο κύριος μηχανισμός".